Реферат Металлургия
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
от 25%
договор
1Металлургия — наука о промышленных способах получения металлов и металлических сплавов — одна из древнейших отраслей знания.
История материальной культуры человечества неразрывно связана с использованием металлов. Переход от каменных орудий труда (каменный век) к орудиям металлическим явился величайшим достижением человечества, вызвавшим бурный рост производительных сил.
Около 7—6 тысяч лет до н. э. человек впервые начал использовать самородные металлы: золото, серебро, медь. В V — IV тысячелетиях до н. э. началась выплавка из руд меди, олова, свинца. Наступил медный век — медные орудия труда и оружие постепенно вытесняли каменные изделия. Примерно в III тысячелетии до н. э. появление и применение бронзы — сплава меди с оловом, значительно более прочного и твердого, чем другие известные в то время металлы, ознаменовало начало бронзового века — дальнейшего важного этапа в развитии материальной культуры. Железо сначала, вероятно, метеоритное, а затем и восстанавливаемое из руды, было известно очень давно. Все более широкое применение железа, а затем стали —его сплавов с углеродом в конце II тысячелетия до н. э. открывает железный век — по определению Ф. Энгельса — «.... героическую эпоху — эпоху железного меча, а вместе с тем железного плуга и топора».
Ф. Энгельс указывал, что железо «... важнейший вид сырья, сыгравший революционную роль в истории»1. В. И. Ленин называл железо одним из фундаментов цивилизации.
До н. э. были известны золото, серебро, медь, железо, олово, свинец, ртуть; к XVIII в. были открыты цинк, висмут, сурьма, платина, мышьяк; в настоящее время известно около 80 металлов. Практическое использование многих металлов началось значительно позже их открытия как химических элементов. Например, только в 1948 г. было получено несколько тонн титана, открытого как элемент в 1791 г.
Все металлы и сплавы условно принято подразделять на черные (железные) и цветные (нежелезные).
Черные металлы и сплавы, К ним относят железо и его сплавы с углеродом: сталь (практически до 1,5% С), чугун (2,5- 4,6% С), а также ферросплавы; наиболее важное значение имеет сталь.
Сталь -
Обобщенное Название очень большой группы железоуглеродистых сплавов основа современной техники. Ее производство примерно в двадцать раз превышает общее производство всех остальных металлов и сплавов.
Чугун был известен еще до н. э. Серый чугун является наиболее распространенным литейным сплавом. Передельный чугун с XIII—XIV вв. служит основным исходным материалом для выплавки стали.
Техническое железо — железо с минимальным содержанием углерода и других примесей — производят в небольших количествах для нужд электротехники и др.
К этой группе относят также ферросплавы, например ферросилиций (до 2,5% С, 9 — 13% Si, основа железо) и др., применяемые при выплавке стали.
Цветные металлы и сплавы. В настоящее время используют около 65 цветных металлов и очень много цветных сплавов. К ним относятся медь, алюминий, титан, никель, олово, цинк и т. д.; алюминиевые, титановые, медные и многие другие сплавы. Хром, никель и многие другие элементы используют для получения наиболее качественных конструкционных легированных, нержавеющих, жаропрочных сталей. Алюминиевые и титановые сплавы — основные конструкционные материалы в авиации и некоторых других областях техники. Медь — основной проводниковый материал в электро-и радиотехнике; медные сплавы — латуни и бронзы— широко применяют в машиностроении. Все более широкое применение находят тугоплавкие и редкие металлы: молибден, тантал, бериллий и др.
По-видимому, нет ни одной машины или прибора, в которых не применялись бы цветные металлы в чистом виде или в виде различных сплавов (включая и легированные стали) и неметаллических соединений.
Подчеркивая значение металлов, следует отметить, что современная техника не мыслима без использования неметаллических материалов, прежде всего пластических масс. Несмотря на быстро развивающееся производство пластмасс, ведущая роль принадлежит металлам и их сплавам. Пластмассы и другие неметаллические материалы заменяют примерно только 5—6% металла.
РАЗВИТИЕ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
По производству стали и чугуна, а также ферросплавов, железной руды, агломерата, кокса СССР занимало первое место в мире.
Зарождение русской металлургии относится к древнейшим временам. В XVIII в. Россия по выплавке стали и чугуна занимала первое место в мире. В XIX в. по производству металла Россия начинает все больше отставать от развитых капиталистических стран. В 1913 г. по выплавке стали (4,2 млн. т) Россия занимала пятое место в мире, далеко отставая от США (31 млн. т), Англии (10 млн. т). Цветная металлургия удовлетворяла потребность по меди на 85%, по цинку на 6%, по свинцу на 3%; не было производства алюминия, никеля, олова и других металлов. Технический уровень в металлургии был очень низким.
В годы предвоенных пятилеток была проведена коренная реконструкция крупных старых заводов, построены новые современные металлургические заводы, в том числе такие гиганты, как Магнитогорский и Кузнецкий металлургические комбинаты.
В 1940 г. было выплавлено более 18 миллионов тонн стали (третье место в мире); особое внимание было обращено на дальнейшее увеличение выпуска качественных сталей. Возникло отечественное производство алюминия, никеля, магния и других цветных металлов.
В послевоенный период отечественная металлургия развивалась невиданными темпами. Были восстановлены на новой технической базе заводы Юга, значительно расширены Магнитогорский комбинат и другие заводы, построены Череповецкий (1955 г.), Карагандинский (1961 г.) и ряд других заводов.
В 1975 г. было выплавлено 141 млн. т стали — значительно больше, чем в США, Японии, ФРГ и других странах. По техническому уровню наша металлургия занимала и занимает ведущее место в мире.
2МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Руды. В настоящее время известно около 80 металлов (т.е. примерно 80% всех элементов), общая масса которых в земной коре составляет около 25%. Примерное содержание (%) некоторых элементов в ней следующее:
Кислород...... 4 Хром...... 2-10 -2
Кремний...... 28 Медь...... 1-10 -2
Алюминий...... 8 Никель...... 8-10 -3
Железо....... 5 Цинк...... 5-10 -3
Кальций...... 3,6 Олово...... 4 -10 -3
Натрий 2,6 Молибден 3-10-4
Калий 2,6 Вольфрам 1-10-4
Магний 2,1 Серебро 1-10-5
Титан 1 Золото 1-10-7
Почти все металлы из-за их большой химической активности находятся в природе в виде химических соеди-нений—окисных (кислородных), сернистых, углекислых, кремнистых и др., входящих в состав различных горных (минеральных) пород. Исключение составляют химически стойкие самородные золото, платина, серебро, реже — медь.
Рудой называется природное минеральное сырье (горные породы), содержащее металл, извлечь который можно экономически выгодным промышленным способом. Некоторые руды, особенно цветных металлов, являются комплексными (полиметаллическими), т.е. содержат не один, а несколько ценных металлов. Кроме соединений металла, в руде всегда имеется пустая порода — другие природные химические соединения, не содержащие данного металла.
Качество руды определяется прежде всего ее богатством, т.е. содержанием извлекаемого металла. Другими критериями при оценке качества руды являются химическая природа и свойства пустой породы, восстанавливаемость металла из руды и т. п. Очень важное значение имеет присутствие в ней вредных примесей, например серы и фосфора в железной руде. К наиболее богатым относятся железные руды, содержащие в среднем 40— 50% железа. Руды цветных металлов, как правило, более бедные и редко содержат выше 2% металла. Использование все более бедных руд приводит к необходимости совершенствовать способы их обогащения перед плавкой.
Металлургические процессы. Задачей металлургии является получение металлов и металлических сплавов из руд или из других исходных материалов. Для этого применяют следующие основные способы.
Пирометаллургический основан на том, что тепло, необходимое для выплавки металла или сплава, обеспечивается сжиганием топлива. К пирометаллургии относятся доменный процесс выплавки чугуна из железной руды, мартеновский способ передела чугуна в сталь, выплавка меди из медных руд и многие другие металлургические процессы.
Электрометаллургический заключается в выплавке металлов и сплавов в дуговых, индукционных и других электрических печах. Кроме того, некоторые металлы получают путем электролиза из расплавов их химических соединений (например, получение алюминия из глинозема А1203) или же из водных растворов солей (например, рафинирование, т. е. получение чистой меди из раствора сернокислой меди CuS04).
Гидрометаллургический основан на выщелачивании металлов из руд при помощи растворителей и последующем выделении металла из раствора. Этот способ находит применение, например,, при извлечении меди из медных руд.
Химико-металлургический заключается в получении металла при помощи химических и металлургических процессов. Типичным примером может служить производство титана по схеме: титановая
руда получение четыреххлористого титана (ТЛС14) восстановление титана магнием.
Кроме этих основных способов, металлы и сплавы получают также методом порошковой металлургии, электроннолучевой, плазменной плавкой и другими способами.
3МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО
Основными горючими компонентами топлива являются углерод и водород нередко в виде углеводородов и других соединений. К негорючей части относятся азот, влага, зола. В топливе часто находится сера — вредная примесь, которая может переходить в металл, ухудшая его качество.
Важнейшей характеристикой топлива является его теплотворность — количество тепла, выделяющееся при полном сгорании единицы топлива. Кроме того, при оценке качества топлива учитывают температуру его воспламенения, зольность и другие характеристики.
Основными видами металлургического топлива являются кокс, мазут, а также газы — природный (естественный), доменный (колошниковый) и коксовый.
Кокс — главное топливо при выплавке чугуна в доменных печах и в вагранках — печах для расплавления чугуна в литейных цехах. Его используют также при агломерации, в цветной металлургии и т.д.
Кокс представляет собой твердую пористую спекшуюся массу, получающуюся из коксующихся каменных углей после удаления из них летучих веществ в специальных печах путем пиролиза, т. е. разложения при прокаливании измельченного угля без доступа воздуха при 950—1100° С в течение 15—18 ч.
Металлургический кокс в среднем содержит 85—: 90% углерода, 0,5—2% серы, до 0,2% фосфора, около 1% летучих, 10—13% золы, до 5% влаги. Его теплотворная способность равна 6500—7500 ккал/кг.
Кокс — дорогое и дефицитное топливо. Его получают только из некоторых сортов коксующихся углей (коксовых, жирных и др.), запасы которых составляют примерно 10% всех запасов угля. В СССР разработаны способы получения металлургического кокса из смесей, содержащих значительное количество некоксующихся углей.
Побочными продуктами коксования являются ценные химические вещества: бензол, фенолы, нафталин, каменноугольная смола и др., а также коксовый газ (см. ниже).
Мазут широко применяется для отопления сталеплавильных мартеновских печей, нагревательных печей в прокатных и других цехах. Он представляет собой жидкий остаток при переработке нефти — после возгонки из нее бензина, керосина и других легких фракций. Достоинства мазута — высокая теплотворная способность: 9500—10500 ккал/кг, отсутствие золы при сжигании, простота регулирования горения.
Природный газ — высококалорийное дешевое топливо. В последние годы он находит в металлургии все возрастающее применение. Он состоит в основном из метана СН4 (92—98%); его теплотворная способность не менее 8000 ккал/м3. Начавшееся сравнительно недавно применение природного газа позволило значительно интенсифицировать процессы плавки в доменных и мартеновских печах, значительно повысить их производительность, уменьшить расход дорогостоящего кокса в производстве чугуна.
Коксовый газ содержит 46—63% водорода, 21 — 27% метана, 2—7% окиси углерода, 4—18% азота и имеет теплотворную способность 3600—4500 ккал/м3.
Он используется как топливо в коксовых и других печах, а также как сырье в химической промышленности.
Доменный (колошниковый) газ — побочный продукт при выплавке чугуна в доменных печах. Его используют на металлургических заводах в качестве топлива в чистом виде или в смеси с коксовым газом.
ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА
Чугун — железоуглеродистый сплав, содержащий более 2% углерода. Кроме углерода, в нем всегда присутствуют кремний (до 4%), марганец (до 2%), а также фосфор и сера. Чугун является основным исходным материалом для получения стали, на что расходуется примерно 80—85% всего чугуна. Вместе с тем чугун — наиболее распространенный литейный сплав (см. в разделе III, гл. 3).
РУДЫ, ФЛЮСЫ.
Железные руды — основной исходный материал для выплавки чугуна. Рудный минерал (рудное вещество) чаще всего представляет собой окислы железа, хорошо восстанавливающиеся в условиях доменной плавки. Пустая порода обычно состоит из кварца и песчаников с примесью глин, т.е. является кислой (избыток Si02).
Железные руды в отличие от медных и многих других относительно богаты. Наиболее богатые руды содержат 60% железа и больше, наиболее бедные 30—40%.
В железных рудах всегда присутствуют вредные примеси—сера и фосфор. По типу рудного минерала руды бывают следующих основных видов.
Красный железняк. Рудный минерал — тема-, тит, безводная окись железа Fe203 (70% Fe). Руда обычно содержит 50—60% Fe. Это наиболее распространенный вид руды во всем мире.
Магнитный железняк. Рудный минерал — магнетит, магнитная окись железа Fe304 (72,4%Fe), в руде 55 -60% Fe.
Бурый железняк. Рудный минерал — водные окислы железа: Fe2O3-mH20 (52—66% Fe). В руде обычно содержится 30—50% Fe.
Шпатовый железняк. Рудный минерал — сидерит, карбонат железа FeCО3 (48,3% Fe), в руде обычно 30—40 Fe.
Железистые кварциты. Рудный минерал — магнетит или гематит. Эти руды содержат 35—40% Fe с кремнистой пустой породой.
Титаномагнетиты. Комплексная руда, содержащая 15—20% Fe, рудными минералами которой являются магнетит и ильменит FeO-TiО2 Ильменит используют в производстве титана.
Марганцевая руда входит в состав шихты доменных печей при выплавке некоторых марок чугуна, а также ферромарганца (до 82% Мп). В ней марганец находится в виде пиролюзита МпО2 и других соединений. Содержание марганца в руде обычно составляет 25—50%.
Доменные флюсы необходимы для удаления из доменной печи тугоплавкой пустой породы руды и золы
Сплавляясь с флюсом, они образуют легкоплавкий сплав — доменный шлак; в расплавленном состоянии он удаляется из печи через шлаковую летку. Кроме того, флюс должен обеспечить получение шлака с необходимым химическим составом и физическими свойствами, что в значительной мере определяет состав чугуна.
Флюсы выбирают в зависимости от пустой породы руды. В отечественных железных рудах пустая порода, как правило, содержит избыток Si02. Поэтому в качестве флюса используют сильноосновные материалы, главным образом известняк СаС03. Типичный металлургический известняк после обжига содержит 50—55% СаО. Избыток извести в доменном шлаке способствует также удалению из чугуна серы. На отечественных заводах флюсы вводят в доменную печь главным образом в виде офлюсованного агломерата и офлюсованных окатышей.
4
КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ И ИХ МАРКИРОВКА
Классификация сталей. Стали классифицируются по химическому составу, качеству и назначению. По химическому составу классифицируют главным образом конструкционные стали, предназначенные для изготовления деталей машин и металлических конструкций. Конструкционные стали делят на углеродистые и легированные.
Углеродистые стали могут быть низкоуглеродистые: С ≤0,09 ... 0,25 %; среднеуглеродистые: С ≤ 0,25 ... 0,45 % и высокоуглеродистые: С ≤ 0,45 ... 0,75 %. Легированные стали условно подразделяют на низколегированные с содержанием легирующих элементов 2,5 %; среднелегированные - от 2,5 до 10 % и высоколегированные - более 10 %.
Другие стали, например инструментальные, с особыми физико-химическими свойствами по химическому составу обычно не классифицируются.
По назначению стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и стали и сплавы с особыми свойствами - жаропрочные, кислотостойкие, износостойкие, магнитные и др.
По качеству различают стали общего назначения, качественные, высококачественные и особовысококачественные, в последнем случае в маркировке указывается способ выплавки и последующей обработки стали.
Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей - серы и фосфора. Газы являются скрытыми количественно трудноопределяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству. Стали обыкновенного качества содержат до 0,05 % S и 0,04 % Р, качественные - не более 0,04 % S и 0,035 % Р, высококачественные - не более 0,025 % S и 0,025 % Р, особовысококачественные - не более 0,015 %ShO,025 %P.
Стали углеродистые обыкновенного качества (ГОСТ 380-94) обозначаются индексом "Ст" и порядковым номером, например Ст1, СтЗ, Ст5. Чем выше номер в обозначении стали, тем выше ее прочность и ниже пластичность.
По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.
Раскисление - процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.
Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно, без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Выделение пузырей СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Кипящие стали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si ≤ 0,07 %), но они содержат повышенное количество газообразных примесей.
Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.
При классификации сталей по структуре учитывают особенности их строения в отожженном и нормализованном состояниях. По структуре в отожженном (равновесном) состоянии конструкционные стали разделяют на четыре класса: доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; аустенитные и ферритные.
Качественные углеродистые стали согласно ГОСТ 1050-88 маркируются цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: сталь 10, сталь 15, сталь 60. Содержание серы и фосфора в этих сталях не должно превышать 0,035 %. Стали этой группы, содержащие свыше 0,2 % С, выпускаются только спокойными.
Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435-99) с содержанием углерода более 0,7 % имеют в обозначении букву "У" и цифру, указывающую на содержание углерода в десятых долях процента: У7, У8, У12.
Легированные конструкционные стали (ГОСТ 4543-71) в зависимости от содержания серы и фосфора подразделяются на качественные, высококачественные и особовысококачественные.
Все высоколегированные стали содержат минимальное количество вредных примесей и являются высококачественными. Для придания особых свойств их подвергают дополнительной обработке специальными методами, которые отражены в обозначении сталей в конце наименования марки: ВД - вакуумнодуговой переплав, Ш - электрошлаковый переплав, ВИ - вакуумно-индукционная выплавка, СШ - обработка синтетическими шлаками.
Кроме углерода, в стали обязательно присутствуют еще другие элементы, наличие которых обусловлено различными причинами. Различают примеси: постоянные, скрытые, случайные и специально введенные.
Постоянные примеси. Это кремний, марганец, фосфор и сера. Марганец и кремний вводят в процессе выплавки в сталь для ее раскисления, т. е. для удаления закиси железа, поэтому их также называют технологическими примесями.
Кроме того, марганец способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS в стали: FeS+Mn MnS+Fe. Марганец и кремний растворяются в феррите, повышая его прочность; марганец может также растворяться и в цементите. Углеродистые стали обычно содержат до 0,7—0,8% Мn и до 0,5% Si.
Сера — вредная примесь — попадает в сталь главным образом с исходным сырьем — чугуном. Сера нерастворима в железе, она образует с ним соединение FeS —сульфид железа. При взаимодействии с железом образуется эвтектика (Fe+FeS) с температурой плавления 988° С. Поэтому при нагреве стальных заготовок для пластической деформации выше 900° С сталь становится хрупкой. При горячей пластической деформации заготовки разрушаются. Это явление называется красноломкостью. Одним из способов уменьшения влияния серы является введение марганца. Соединение MnS плавится при 1620° С, эти включения пластичны и не вызывают красноломкости.
Содержание серы в сталях допускается не более 0,06%.
Фосфор попадает в сталь главным образом также с исходным чугуном, использованным для выплавки стали. До 1,2% фосфора растворяется в феррите, уменьшая его пластичность. Фосфор обладает большой склонностью к ликвации, поэтому даже при незначительном среднем количестве фосфора в отливке всегда могут образовываться участки, богатые фосфором. Располагаясь вблизи границ зерен, фосфор повышает температуру перехода в хрупкое состояние, т. е. вызывает хладноломкость. Поэтому фосфор, как и сера, является вредной примесью, содержание его в углеродистой стали допускается до 0,050%.
Чем больше углерода в стали, тем сильнее влияние фосфора на ее хрупкость.
Содержание серы и фосфора в стали зависит от способа ее выплавки.
Скрытые примеси. Так называют присутствующие в стали газы — азот, кислород, водород — ввиду сложности определения их количества. Газы попадают в сталь при ее выплавке. В твердой стали они могут присутствовать, либо растворяясь в феррите, либо образуя химические соединения (нитриды, оксиды). Газы могут находиться и в свободном состоянии в различных несплошностях.
Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их допускается 10-2 - 10 -4%. В результате вакуумирования стали их содержание уменьшается, свойства улучшаются.
5 Основные преимущества:
большая прокаливаемость, более 5-10 мм
высокая теплостойкость 550-6500 С
Углеродистые инструментальные стали
Эти стали по ГОСТ 1435—74 содержат 0,65-1,35% С
Они маркируются У7, У7А ... У13, У13А. Буква У обозначает что сталь углеродистая, число показывает содержание углерода в десятых долях.
Углеродистые инструментальные стали обладают высокой твердостью, прочностью, хорошо шлифуются при изготовлении инструмента, дешевы и недефицитны.,
Стали У7, У7А, У8, У8А, содержащие 0,7—0,8% С, применяют для инструментов по дереву и. инструментов ударного действия, когда требуется повышенная вязкость, — пуансонов, кернов, зубил, кузнечных штампов и т.д.
Стали У9—У13 (У9А—У13А), содержащие 0,9— 1,3% С, обладают более высокой твердостью и износостойкостью. Из этих сталей изготавливают сверла, метчики, развертки, фрезы, плашки и др. Из стали У13, имеющей максимальную твердость (HRC 62—64) и износоустойчивость, изготавливают напильники, граверный инструмент и т. п.
Для снижения твердости и создания благоприятной структуры все стали до изготовления инструмента подвергают предварительной термической обработке — отжигу. Поскольку наличие сетки вторичного цементита ухудшает качество и срок службы инструмента, заэвтектоидные стали подвергают сфероидизирующему отжигу, нагревая стали У9 и У10 до 740—750° С, а У11 и У12 до 750—780° С. В результате такого отжига пластины Ц11 делятся (на этот процесс положительно влияет наличие субграниц и скоплений дислокаций). Регулируя скорость охлаждения можно получать глобули Ц11 различного размера.
Окончательная термическая обработка — закалка и отпуск.
Легированные инструментальные стали
Эти стали по ГОСТ 5950—73 обычно содержат 0,9— 1,4% С. Суммарное содержание легирующих элементов (Cr, W, Mn, Si, V и др.) не превышает 5%. Легирующие элементы, увеличивая устойчивость аустенита, уменьшают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость (инструменты из сталей повышенной прокаливаемое™, как правило, прокаливаются насквозь). Инструменты закаливают в масле, что уменьшает возможность коробления и образования закалочных трещин.
Термическая обработка таких инструментов заключается в закалке с 800—860° С в масло или ступенчатой закалке (температура закалки определяется составом). Отпуск проводят низкотемпературный — при 150— 200° С. Твердость после термической обработки составляет HRC 61—66. Иногда для увеличения вязкости повышают температуру отпуска до 300° С, но при этом твердость понижается до HRC 55—60.
Малолегированные стали, содержащие 1—1,5% легирующих элементов (Х05, 7ХФ, 8ХФ), относятся к сталям небольшой прокаливаемости.
Применяемые для режущего инструмента стали 9ХС, ХВСГ, ХВГ и др. по сравнению с углеродистыми сталями имеют более высокую прокаливаемость, повышенную твердость и износоустойчивость.
Повышенное содержание кремния (9ХС, ХВСГ) способствует увеличению прокаливаемости (критический диаметр для стали 9ХС равен 40 мм, а для стали ХВСГ 100 мм при закалке в масле) и устойчивости мартенсита при отпуске.
Повышенное содержание марганца (ХВГ, 9ХВСГ) способствует увеличению количества остаточного аустенита, что уменьшает деформацию инструмента при его закалке. Поэтому эти стали часто применяют для изготовления инструмента, имеющего большую длину при относительно небольшом диаметре, например протяжек. Легирование хромом увеличивает прокаливаемость и твердость после закалки.
Из сталей этой группы изготавливают различные инструменты — от ударного до режущего. Теплостойкость инструментов, как правило, не превышает 300" С, поэтому эти стали не используют для обработки с большими скоростями резания.
Так называемая «алмазная» сталь ХВ5 (5% W) благодаря присутствию вольфрама в термически обработанном состоянии имеет избыточную мелкодисперсную карбидную фазу и твердость HRC 65—67. Из этой стали изготавливают инструмент, сохраняющий длительное время острые кромки и высокую размерную точность (развертки, фасонные резцы, граверный инструмент и т. п.).
К сталям повышенной прокаливаемости относятся и стали с карбидным упрочнением, например 6Х6ВЗМФС и 8Х4В2С2МФ. После термической обработки (закалка с 1050—1080° С, отпуск — старение при 520—540° С) инструмент из этих сталей за счет выделения дисперсных карбидов М23С6 и М7С3 приобретает высокую твердость HRC 61—63, имея повышенную вязкость и прочность. Кроме того, он обладает высоким сопротивлением пластической деформации.
СТАЛИ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ
Измерительные инструменты должны сохранять свою форму и размеры в течение продолжительного времени. Поэтому их следует изготавливать из сталей, имеющих высокую твердость и износостойкость (после соответствующей термической обработки). В этих сталях с течением времени не должны совершаться структурные превращения, вызывающие изменение размеров инструмента. Такие стали должны иметь минимальный коэффициент линейного расширения.
С учетом этих требований выбирают соответствующие стали и назначают определенный режим термической обработки. Хорошее сопротивление износу обеспечивается высокой твердостью поверхности (HRC 62— 65).
Малым коэффициентом теплового расширения обладают стали с мартенситной структурой. Для измерительных инструментов чаще всего используют высокоуглеродистые стали У8—У12, X, Х9, ХГ, Х12Ф1, цементуемые (сталь 15, сталь 20) и азотируемые (38ХМЮА).
Структура высокоуглеродистых сталей после обычной термической обработки не является стабильной и всегда содержит какое-то количество остаточного аустенита. Тетрагональность мартенсита со временем уменьшается. Поэтому после закалки применяют стабилизирующий низкотемпературный отпуск — старение (нагрев до 120—170°С с выдержкой 10—30 ч). Иногда после закалки инструмент подвергают обработке холодом, а затем отпуску — старению.
ШТАМПОВЫЕ СТАЛИ
Инструмент, применяемый для обработки металлов давлением (штампы, пуансоны, матрицы, валики и т.д.), изготавливают из штамповых сталей. Так как металлы можно подвергать деформации в холодном, а также в горячем состояниях (до 900—1200°С), то различают стали для штампов холодного деформирования и стали для штампов горячего деформирования. Химический состав, механические свойства и назначение штамповых сталей приведены в ГОСТ 5950—73.
Стали для штампов холодного деформирования. Стали для изготовления инструментов этой группы должны обладать высокой износостойкостью (высокой поверхностной твердостью), прочностью, вязкостью (чтобы воспринимать ударные нагрузки), сопротивлением деформации.
Для изготовления штампов небольших размеров (диаметром до 25 мм) используют углеродистую инструментальную сталь марок У10, У11, У12. После закалки и низкого отпуска инструмент из этих сталей будет обладать нужным комплексом свойств. Широко используют легированные стали марок X, Х9, ХГ, 9ХС, Х12М, Х6ВФ (фильеры, плашки и др.). Для повышения износостойкости инструмента после его термической обработки применяют иногда цианирование или хромирование рабочей поверхности. Для штампов, работающих в условиях износа и давления, применяют легированные стали глубокой прокаливаемости, например Х12, Х12Ф, ХГЗСВ и т.д.
Если штамповый инструмент испытывает ударные нагрузки, то для его изготовления используют стали, обладающие большой вязкостью (стали 4ХС4, 4ХВС, 5ХНМ, 5ХГМ и т. д.). Это достигается уменьшением содержания углерода, введением легирующих элементов, увеличивающих прокаливаемость, и соответствующей термической обработкой — закалка с высоким отпуском (480—580°С). Окончательная твердость HRC 38—45.
Стали для штампов горячего деформирования. Штампы для горячего деформирования работают в более сложных условиях. Поэтому, кроме перечисленных свойств, стали для таких штампов должны обладать жаропрочностью, теплостойкостью, термостойкостью Они должны быть также минимально чувствительными к отпускной хрупкости, так как в процессе эксплуатации может неоднократно происходить нагрев штампов до высоких температур. Кроме того, эти стали должны обладать и хорошей теплопроводностью, чтобы тепло быстро отводилось от рабочей поверхности и т.д.
Если штампы испытывают большие ударные нагрузки (например, ковочные штампы), то для их изготовления используют стали, содержащие 0,5—0,6% С, легированные элементами, увеличивающими прокаливаемость и вязкость (хром, никель, марганец). Для уменьшения склонности к отпускной хрупкости II рода вводят молибден или вольфрам. Это стали 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНТ, 5ХНСВ и т.д.
Закалку осуществляют с 760—820° С, охлаждающая среда зависит от размеров штампов. Температура отпуска составляет 460—580° С, твердость HRC 35—45.
Инструмент для горячей протяжки, высадки и прессования нагревается в работе до более высоких температур. Для такого инструмента используют стали с повышенным содержанием вольфрама, обладающие термостойкостью до 650—670° С. Это стали марок ЗХ2В8, 4Х5В2ФС, 4Х4В4ФМ, 6ХВ2С и др.
В настоящее время для изготовления деталей используют также метод литья под давлением. Таким образом делают детали как из металлов, так и из пластмасс. Используемые для этой цели прессформы подвергаются износу, коррозии, а также образованию на рабочей поверхности сетки разгарных трещин. В зависимости от условий работы для изготовления прессформ применяют различные марки сталей.
Для литья металлов с высокими температурами плавления прессформы изготавливают из сталей ЗХ2В8, 4ХВ2С.
Для литья металлов с низкой температурой плавления (например, цинк и его сплавы) прессформы делают из сталей ЗОХГС, 40Х и даже сталей 45 и 50.
Для штампов и форм литья под давлением алюминиевых и магниевых сплавов, особенно для штампов сложных по конфигурации, небольших по размерам и работающих с большими ударными нагрузками, применяют мартенситностареющие стали.
Литье и прессование пластмасс связаны с износом и коррозией. Поскольку в этом случае температуры составляют порядка 150—200° С, то для изготовления прессформ можно использовать как легированные, так и углеродистые улучшаемые или цементуемые стали. Применяют также и азотируемые стали. Иногда рабочую поверхность подвергают хромированию диффузионной металлизацией. Для коррозионностойкого инструмента используют стали 9X18, Х18МФ, Х14М, 30X13, 40X13
23